Kemi A

Noterne støtter Kemi A på stx. Du møder reaktionstyperne sammen med heterogene ligevægte og reaktionskinetik. SN1 og SN2 her er forklaringsmodeller; læreplanens generelle krav er ikke en automatisk liste over alle mekanismer, din klasse skal have læst.

Fældningsreaktioner

• En fældningsreaktion sker, når ioner fra to iontyper i vandig opløsning danner et fast, tungtopløseligt salt. Forholdet mellem ionerne følger saltets formel; det er ikke altid én ion af hver type. Fældning kræver passende koncentrationer.
• Små faste partikler kan gøre opløsningen uklar; bundfald kan senere lægge sig på bunden. Uklarhed er et fingerpeg, som skal undersøges sammen med stofferne og betingelserne. Den kan også have andre årsager.
• Eksempel: Blander man opløsninger af AgNO₃ og NaCl, vil Ag⁺ og Cl⁻ danne et fast stof, AgCl.
• Reaktionsskemaet for en fældningsreaktion kan opskrives på to måder:
  • Ionreaktionsskema: Viser kun de ioner, der indgår i fældningen. Eksempel: Ag⁺(aq) + Cl⁻(aq) → AgCl(s)
    • Reaktanterne er i vandig opløsning (aq), produktet et fast stof (s).
    • Tilskuerioner (f.eks. Na⁺, NO₃⁻) tages ikke med.
  • Reaktionsskema med stofformler: Viser alle stoffer - både de opløste ionforbindelser inkl. tilskuerioner og bundfaldet: Eksempel: AgNO₃(aq) + NaCl(aq) → AgCl(s) + NaNO₃(aq)
    • Reaktanterne er i vandig opløsning (aq), produktet et fast stof (s).
    • Tilskuerioner medtages her, fordi tilskuerionerne indgår i de opløste ionforbindelser.
• De fire salteksempler nedenfor viser forskellen mellem let- og tungtopløselige ionforbindelser i vand:

Eksempler i vand: NaCl og AgNO₃ er letopløselige; AgCl og Ag₂S er tungtopløselige. Disse eksempler giver et første overblik. Koncentrationerne og temperaturen afgør, om der faktisk dannes bundfald.

• Opløselighedsskemaet aflæses på denne måde:
  • L = letopløselig. Under almindelige fortyndede forsøgsbetingelser forventes saltet normalt at forblive opløst.
  • T = tungtopløselig. Der kan dannes bundfald, hvis ionproduktet overstiger opløselighedsproduktet.
  • De fire eksempler skelner mellem letopløselige NaCl og AgNO₃ og tungtopløselige AgCl og Ag₂S. Brug en relevant opløselighedskilde til andre salte; de fire eksempler giver ikke en regel for alle ionkombinationer.
  • Eksempel 1: AgCl er tungtopløseligt og kan udfældes ved tilstrækkelige Ag⁺-koncentrationer og Cl⁻-koncentrationer.
  • Eksempel 2: NaCl: L (letopløseligt, ingen fældning).
• Afstemning af en fældningsreaktion sker ud fra ionernes ladning, så produktet bliver elektrisk neutralt.
  • Eksempel: AgNO₃ blandes med Na₂S:
    • Ag⁺ (+1) og S²⁻ (-2): kræver 2 Ag⁺ for at neutralisere 1 S²⁻.
    • Ionreaktionsskema: 2Ag⁺(aq) + S²⁻(aq) → Ag₂S(s)
    • Reaktionsskema med stofformler: 2AgNO₃(aq) + Na₂S(aq) → Ag₂S(s) + 2NaNO₃(aq)
• Opløselighedsproduktet K_sp er ligevægtskonstanten for saltets opløsning ved en bestemt temperatur. For AgCl skriver man i fortyndet opløsning tilnærmet K_sp = [Ag⁺][Cl⁻]. Brug de aktuelle ionkoncentrationer efter blanding til at beregne Q_sp. Er Q_sp større end K_sp, er fældning termodynamisk mulig; et synligt bundfald kan også afhænge af tid og dannelse af krystalkim. K_sp er ikke en masse eller opløselighed direkte. Præcist defineres konstanten med aktiviteter.

Redoxreaktioner

Brug kapitlet Redoxreaktioner til at følge elektronoverførslen og skelne oxidation fra reduktion.

Forbrændingsreaktioner

• En forbrændingsreaktion er en kemisk reaktion, hvor et brændselsmolekyle reagerer med dioxygen (O₂).
  • Der dannes nye stoffer, typisk kuldioxid (CO₂) og vand (H₂O).
  • Reaktionen frigiver varmeenergi.
  • Forbrænding er en redoxreaktion. I de viste carbonhydrider oxideres carbon, mens oxygen fra O₂ reduceres. Hydrogen skifter ikke oxidationstal: Det er +I både i carbonhydridet og i vandet.
• Generel forbrændingsligning: Carbonhydrid + O₂ → CO₂ + H₂O (overblik over produkter ved fuldstændig forbrænding; afstem det konkrete stof)
• En forbrænding er fuldstændig eller ufuldstændig:
  • Fuldstændig forbrænding: Brændslet reagerer helt med O₂, og der dannes kun CO₂ og H₂O.
    • Eksempel: Forbrænding af propan: C₃H₈(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(l)
  • Ufuldstændig forbrænding: Brændslet reagerer ikke fuldt med O₂, og der dannes ud over CO₂ og H₂O også CO og/eller C(s) (sod).
    • Eksempel: Ufuldstændig forbrænding af propen: C₃H₆(g) + 3O₂(g) → C(s) + CO(g) + CO₂(g) + 3H₂O(l)
• Der kan dannes CO eller sod ved ufuldstændig forbrænding. Ilttilførsel, blanding, temperatur og tid påvirker resultatet; det er ikke en regel, at der altid dannes CO eller sod. Brændslet og ilttilførslen undersøges her:
  • Brændselsmolekylet har betydning:
    • Alkaner kan forbrænde både fuldstændigt og ufuldstændigt. Stofklasse alene afgør ikke resultatet.
    • Et carbonrigt brændsel kan have større sodtendens under sammenlignelige betingelser, men sod er ikke en sikker prøve på, om stoffet er en alken eller alkyn. Se også på ilttilførsel og blanding.
  • Ilttilførslen har betydning:
    • Rigelig O₂ giver mere fuldstændig forbrænding.
    • For lidt tilgængelig O₂ kan give ufuldstændig forbrænding med CO og/eller sod. Manglende synlig sod udelukker ikke CO.
• Kroppen forbrænder organisk stof:
  • I Biologi og Bioteknologi er forbrændingsreaktioner vigtige, fordi kroppens celler frigiver energi ved at forbrænde organiske molekyler.
  • Energien bruges til at drive energikrævende processer i cellerne.
  • I cellers stofskifte indgår både oxidationer og reduktioner. Følg de reagerende stoffer og eventuelle coenzymer; en biologisk proces er ikke én enkelt reaktionstype.

Syre-base-reaktioner

I kapitlet Syre-base-reaktioner kan du undersøge, hvem der afgiver og optager protonen.

Organiske reaktionstyper

Addition

• Ved addition til en C=C-dobbeltbinding erstattes π-bindingen af nye bindinger til de tilførte atomer eller grupper. C-C-enkeltbindingen bevares. En første addition til en tripelbinding kan give en dobbeltbinding.
• Molekylet får flere atomer bundet til sig ved en addition.
• Eksempel: Addition af vand til ethen. Dobbeltbindingen brydes, og produktet er ethanol:

CH₂=CH₂ + H₂O ⇌ CH₃CH₂OH (syrekatalyse; betingelserne bestemmer retningen)

• Addition er det omvendte af en eliminationsreaktion.
• Affarvning af bromvand er en klassisk additionsreaktion:
  • Broms farve kan forsvinde, når brom reagerer med en C=C-binding. Affarvning støtter en hypotese om umættethed, men kan også skyldes andre bromforbrugende reaktioner. I vand kan vand deltage, så bromhydrin dannes; dibromaddition viser den enklere model i et passende ikke-vandigt opløsningsmiddel.
  • Reaktionen bruges som test til identifikation af organiske stoffer.
  • Her er reaktionen:

CH₂=CH₂ + Br₂ → BrCH₂CH₂Br (model for bromaddition i et passende ikke-vandigt opløsningsmiddel; i vand kan der dannes bromhydrin)

• Addition kan bruges til polymerisation, hvor mindre molekyler bindes sammen til et stort molekyle (polymer).

Elimination

• En eliminationsreaktion er en reaktion, hvor et mindre molekyle fraspaltes fra et større molekyle.
• Ved almindelige eliminationer fraspaltes vand (dehydrering) eller samlet HCl/HBr (dehydrohalogenering). Cl₂ og Br₂ er ikke de typiske fraspaltede molekyler i disse eksempler.
• Eliminationen medfører typisk, at der dannes en dobbelt- eller tripelbinding i produktet.
• Elimination bruges i organisk kemi til at omdanne alkoholer eller halogenerede forbindelser til alkener eller alkyner.
• Eksempel: Elimination af vand fra ethanol. Ethanol omdannes til ethen + vand.

CH₃CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O (dehydrering under passende syrekatalyse og opvarmning)

• Elimination er det omvendte af en additionsreaktion.

Hydrolyse

• En hydrolyse spalter en binding ved reaktion med vand. Ved en simpel ester fås to mindre produkter; en ring kan også åbnes uden at give to adskilte organiske molekyler.
• Ved sur hydrolyse spaltes en carboxylsyreester til carboxylsyre og alkohol. Ved basisk hydrolyse fås carboxylat og alkohol. Betingelserne skal derfor med i forklaringen.

CH₃C(=O)OCH₂CH₃ + H₂O ⇌ CH₃C(=O)OH + HOCH₂CH₃ (sur hydrolyse; ved basisk hydrolyse fås carboxylat og alkohol)

• Hydrolyse er ofte det omvendte af en kondensationsreaktion. Ved kondensation bindes to molekyler sammen, mens et mindre molekyle fraspaltes (ofte vand).
• Hydrolyse ses tit ved nedbrydning af større organiske molekyler, f.eks.:
  • Estere → carboxylsyrer + alkoholer.
  • Proteiner → peptider/aminosyrer.
  • Kulhydrater (f.eks. stivelse) → mindre sukkermolekyler.

Kondensation

• En kondensation er en reaktion, hvor to organiske molekyler bindes sammen, mens et mindre molekyle fraspaltes. Det fraspaltede molekyle er ofte vand, men kan også være f.eks. HCl.
• Kondensation bruges tit til at danne større molekyler som estere, peptider og polymerer.
• Eksempel: Esterdannelse. En carboxylsyre og en alkohol bindes sammen, mens vand fraspaltes.

CH₃C(=O)OH + HOCH₂CH₃ ⇌ CH₃C(=O)OCH₂CH₃ + H₂O (syrekatalyse; ethyl(ethanoat) er esteren)

• Kondensation kan være den modsatte proces af hydrolyse. Ved hydrolyse spaltes en binding ved reaktion med vand. En simpel ester kan give to mindre produkter; en ring kan åbnes uden at give to adskilte organiske molekyler.
• Kondensation kan bruges til polymerisation, hvor mindre molekyler bindes sammen til større (polymerer).

Substitution

• En substitutionsreaktion er en reaktion, hvor et atom eller en atomgruppe i et molekyle udskiftes med et andet atom eller en anden gruppe.
• To almindelige substitutionsformer at arbejde med er radikal substitution og nukleofil substitution.
• Radikal substitution
  • Forløber via radikaler: Partikler med en uparret elektron, fx Br· og CH₃·. Et radikal behøver ikke være ét atom.
  • Kræver ofte energi (f.eks. UV-lys) til at danne frie radikaler og starte reaktionen.
  • Eksempel: Reaktion mellem methan og Br₂: Et H-atom i methan udskiftes med Br.

CH₄ + Br₂ → CH₃Br + HBr (UV-lys eller varme kan starte radikalkæden; flere substitutioner kan forekomme)

• Nukleofil substitution
  • Et nukleofilt reagens (stof med frit elektronpar) angriber et kulstofatom og udskifter en leaving group.
  • Leaving group = den atomgruppe, der forlader molekylet.
  • Reaktionstyper: SN1 og SN2.
    • SN1-reaktion
      • SN1 har først afgang af leaving group og derefter nukleofilt angreb. Hvis nukleofilen er vand, følger desuden en protonoverførsel, før den neutrale alkohol er dannet.
      • Trin 1 (dannelse af karbokation) er langsomt og hastighedsbestemmende.
      • I den enkle SN1-model ved faste betingelser er hastigheden v = k[substrat]. Nukleofilen indgår ikke i det hastighedsbestemmende ioniseringstrin.
      • Eksempel på SN1-substitutionsvejen: tert-butylbromid reagerer med vand. Vand er nukleofilen; en efterfølgende protonoverførsel giver alkoholen. Med stærk OH⁻ kan E2-elimination i stedet dominere.

(CH₃)₃CBr + 2H₂O → (CH₃)₃COH + H₃O⁺ + Br⁻ (substitutionsvejen i vand; elimination kan konkurrere)

• SN2-reaktion
  • Forløber i ét trin: Det nukleofile reagens angriber, samtidig med at leaving group forlader.
  • SN2 går gennem én overgangstilstand med delvist dannet og delvist brudt binding. Der er ikke et stabilt mellemprodukt.
  • SN2 giver inversion af geometrien ved det reagerende carbon. Kun hvis dette carbon er stereogent, kan inversionen vises ved stereoisomerer; det primære CH₂-eksempel er ikke stereogent.
  • Reaktionshastighed afhænger af koncentrationen af både molekylet og det nukleofile reagens.
  • Eksempel: Substitution med hydroxid:

CH₃CH₂CH₂CH₂Br + OH⁻ → CH₃CH₂CH₂CH₂OH + Br⁻ (SN2 kan ske ved det primære carbon; opløsningsmiddel og temperatur påvirker konkurrerende reaktioner)

Polymerisation

• En polymerisation er en reaktion, hvor mange små molekyler (monomerer) bindes sammen til et stort molekyle (en polymer).
• Polymerisation bruges til fremstilling af materialer som plast, nylon og gummi.
• Eksempel: Fremstilling af polyethen: n CH₂=CH₂ → -(CH₂-CH₂)-_n
  • π-bindingen i ethens C=C erstattes af nye bindinger mellem monomerenhederne; C-C-enkeltbindingen bevares.
  • Monomererne kobles sammen til en lang kæde.
  • n angiver antallet af monomerer i polymeren.
• Der findes to hovedtyper af polymerisation:
  • Additionspolymerisation:
    • Ved additionspolymerisation af ethen bruges C=C-bindingens π-del til at danne nye bindinger mellem monomererne. Ingen lille biproduktpartikel fraspaltes i denne model.
    • Ingen små molekyler fraspaltes.
    • Reaktionen er gentagne additionsreaktioner.
    • Eksempel: Fremstilling af polyethen fra ethen (se eksemplet ovenfor).
  • Kondensationspolymerisation:
    • Til en lineær kondensationspolymer bruges typisk monomerer med to reagerende funktionelle grupper. Flere reagerende grupper kan give forgreninger eller netværk.
    • Sammenbindingen fraspalter et lille molekyle (ofte H₂O eller HCl).
    • Reaktionen er gentagne kondensationsreaktioner.
    • Eksempel: Fremstilling af nylon ud fra adipinsyre og hexan-1,6-diamin (fraspaltning af vand).

HOOC(CH₂)₄COOH og H₂N(CH₂)₆NH₂ kan danne nylon-6,6. Gentagelsesenheden er [-NH(CH₂)₆NH-C(=O)(CH₂)₄C(=O)-]_n. Ved hver ny amidbinding fraspaltes vand. Enderne af en faktisk kæde skal medregnes i et fuldt afstemt skema.

• Skeln kædepolymerisation og trinvis polymerisation:
  • Den samme reaktion gentages mange gange, indtil polymeren består af et stort antal monomerer.
  • At der dannes en polymerkæde, gør ikke enhver polymerisation til en kædereaktion. Ved kædepolymerisation reagerer monomerer ved et aktivt kædecenter, som gendannes efter væksttrinnet. Ved trinvis polymerisation kan molekyler med forskellige kædelængder reagere med hinanden. Nylon-6,6 fra diamin og dicarboxylsyre er et eksempel på trinvis polykondensation. Skeln derfor mellem, hvad der fraspaltes, og hvordan kæderne vokser.

Reversible og irreversible reaktioner

• En kemisk reaktion er enten reversibel eller irreversibel:
  • Reversible reaktioner: kan forløbe i begge retninger.
  • Praktisk irreversible reaktioner: Tilbagesreaktionen er ubetydelig under de betragtede betingelser.
• Reversible reaktioner
  • Reaktanterne kan omdannes til produkter, og produkterne kan omdannes tilbage til reaktanter.
  • Markeres med dobbeltpile (⇌).
  • Kemiske ligevægte opstår kun i reversible reaktioner.
  • Eksempel: Dannelse og spaltning af ammoniak:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

• Irreversible reaktioner
  • Tilbagesreaktionen er ubetydelig under forsøgets betingelser. Produkterne omdannes ikke mærkbart tilbage til reaktanter; det er praktisk irreversibilitet.
  • Kemisk ligevægt kan ikke indstille sig.
  • Forbrændingsreaktioner er typiske eksempler.
  • Eksempel
    • Forbrænding af propan: C₃H₈(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(l)
    • Under almindelige forbrændingsbetingelser er tilbagesreaktionen ubetydelig. Reaktionen behandles derfor som praktisk irreversibel i dette forsøg.

SN1 og SN2: Nettoskemaet er ikke mekanismen

Ved SN1 forlader leaving group først, og en karbokation dannes. Vand kan derefter binde til carbonet; en efterfølgende protonoverførsel giver alkoholen. Nettoskemaet i vand er:

(CH₃)₃CBr + 2H₂O → (CH₃)₃COH + H₃O⁺ + Br⁻

Det langsomme ioniseringstrin giver i den enkle model v = k[substrat] ved faste betingelser. Stærk OH⁻ ved et tertiært carbon kan i stedet favorisere E2-elimination. Ved SN2 sker angreb og afgang i ét trin med v = k[substrat][nukleofil]. Et primært, mindre hindret carbon kan støtte SN2; opløsningsmiddel og temperatur skal også undersøges.

Prøv en mekanisme mod betingelserne

Konstrueret træningsøvelse: Et tertiært bromalkan reagerer med en stærk base.

Er et substitutionsprodukt alene nok til at vælge SN1?

Se forklaringen

Nej. Strukturen og den stærke base gør elimination vigtig. Et nettoskema viser ikke alene mekanismen; undersøg betingelser, hastighed og produkter.

Prøv med mindre støtte: Forklar, hvorfor et primært og et tertiært bromalkan kan reagere forskelligt med samme reagens.

Kilder

• UVM læreplan kemi-a-stx
• OpenStax Organic Chemistry11.4: SN1
• OpenStax Organic Chemistry11.2: SN2
• OpenStax Chemistry 2e15.1: Precipitation and dissolution